Elektromagnetická rezonancia - videodemonštrácie
Fyzikálne video-experimenty
Hlavná ponuka:
- Zobrazenie magnetického poľa 2D
- Zobrazenie magnetického poľa 3D
- Magnetická kvapalina
- Magnetické vlastnosti látok
- Neoddeliteľnosť pólov magnetu
- Magnetické pole v okolí vodiča s prúdom
- Silové pôsobenie MP na vodič s prúdom
- Ohmov zákon
- Sériové a paralelné zapojenie rezistorov
- Vybíjanie kondenzátora
- Závislosť odporu vodiča od teploty
- Faradayov zákon
- Lenzov zákon
- Elektromagnetická rezonancia
- Elektromagnetické vlnenie - postupná vlna
- Elektromagnetické vlnenie - stojatá vlna
- Elektromagnetické pole v okolí antény
- Polarizácia EM vlnenia
Elektromagnetická indukcia - indukované napätie, elektromagnetická rezonancia
Motivácia
Súčasťou elektrickej gitary sú elektrické snímače, ktoré menia mechanický impulz na elektrický signál. Tento signál sa potom zosilňuje a pomocou reproduktorov sa prevádza na zvuk. Na akom fyzikálnom princípe funguje elektrický snímač?Experiment
Video experimentu 
Použité pomôcky
- aparatúra na elektromagnetickú rezonanciu
- senzor sily
- merací panel Coach
- vodiče
Vysvetlenie
1. experiment - kmity magnetu bez cievky (0:00 - 0:35)
Každý netlmený harmonický kmitavý pohyb časom zanikne vplyvom odporovej sily prostredia. Ak je tlmenie prostredia slabé vzhľadom na uhlovú frekvenciu netlmeného harmonického kmitavého pohybu, potom oscilátor vykonáva tlmený harmonický kmitavý pohyb, ktorého výchylka je daná
kde výraz 
predstavuje amplitúdu (pozri grafickú závislosť na videu, čas 0:21). V porovnaní s netlmenými kmitmi, pri ktorých sa amplitúda nemení, pri tlmených kmitoch dochádza vplyvom prostredia k zmenšovaniu amplitúdy, ktorá klesá exponenciálne z časom.
predstavuje amplitúdu (pozri grafickú závislosť na videu, čas 0:21). V porovnaní s netlmenými kmitmi, pri ktorých sa amplitúda nemení, pri tlmených kmitoch dochádza vplyvom prostredia k zmenšovaniu amplitúdy, ktorá klesá exponenciálne z časom.Na videu tlmený harmonický kmitavý pohyb vykonáva magnet zavesený na pružine, ktorá je uvedená do pohybu rukou. Vplyvom odporových síl prostredia dochádza k zastaveniu jej pohybu. Perióda kmitov magnetu na pružine je 0,66 s.
2. experiment - rázy (0:36 - 1:23)
Rázy vznikajú skladaním dvoch rovnobežných kmitavých pohybov, ktorých frekvencie sú blízke (napr. 500 a 550 Hz). Amplitúda výsledného kmitania nie je konštantná, ale sa periodicky mení s časom, nadobúda maximá a minimá (pozri grafickú závislosť na videu, čas 1:04). Pozri aj aplet a video.
V experimente na videu je pružina nútená konať dva rovnobežné kmitavé pohyby. Zdrojom prvého je samotná pružina (pri danej tuhosti pružiny) a druhý kmitavý pohyb vyvoláva cievka, ktorá je pripojená na merací panel Coach. Prostredníctvom prúdu vzniká v cievke premenné magnetické pole, ktoré pôsobí silou na pružinu a núti ju kmitať s periódou prúdu T 2 = 0,655 s. Perióda vlastných kmitov pružiny je T 1 = 0,66 s. Dochádza k skladaniu kmitov, ktorých frekvencie sú blízke, v dôsledku čoho vzniknú rázy.
3. experiment - indukované napätie (1:23 - 1:47)
Z Faradayovho zákona elektromagnetickej indukcie vyplýva, že indukované napätie vznikne, keď sa mení magnetický indukčný tok 
cez uzavretú plochu
cez uzavretú plochu
V experimente na videu kmitá pružina s magnetom cez dutinu cievky, ktorou nepreteká prúd. (Cievka je pripojená k panelu Coach ako senzor napätia). Kmitaním pružiny s magnetom sa mení s časom magnetický indukčný tok magnetického poľa magnetu dutinou cievky. Narastá smerom do jej stredu a klesá smerom od jej stredu. V dôsledku tejto zmeny sa v cievke indukuje napätie, ktoré sa mení s časom (pozri grafickú závislosť na videu, čas: 1:31)
Princíp elektromagnetickej indukcie sa využíva pre elektrickom snímači, ktorý je tvorený cievkou navinutou na malý permanentný magnet. Vplyvom magnetického poľa snímača vzniká v časti kovovej struny, ktorá je práve nad magnetom severný a južný pól. Táto časť má svoje vlastné magnetické pole.
Ak brnkneme na strunu, začne struna kmitať. Jej pohyb voči cievke mení magnetický indukčný tok jej poľa cievkou, a tým sa v cievke indukuje prúd. Struna priečne kmitá k cievke a od nej. Indukovaný prúd v cievke mení smer s rovnakou frekvenciou ako kmity struny a prenáša tieto kmity do zosilovača cez kábel, ktorý je zapojený do gitary alebo bezdrôtovým vysielačom do reproduktora. (Viac o zosilovačoch).
4. experiment - elektromagnetická rezonancia (1:49)
V tlmiacom prostredí môže oscilátor vykonávať harmonické kmity s konštantnou amplitúdou vplyvom vonkajšej periodickej sily, tzv. vynucujúcej sily. Výchylka vynúteného harmonického kmitavého pohybu je
kde prvý výraz predstavuje výchylku tlmeného harmonického kmitavého pohybu. Amplitúda tlmených kmitov exponenciálne klesá, preto prvý člen rovnice po krátkom čase zanikne. Potom oscilátor bude kmitať harmonicky a závislosť jeho výchylky od času bude daná len druhým členom rovnice. Amplitúda harmonických kmitov
závisí od amplitúdy vynucujúcej sily F0 , od jej uhlovej frekvencie ω, hmotnosti kmitajúceho telesa m a ovplyvní ju aj koeficient útlmu b prostredia. Ak sa uhlová frekvencia vlastných kmitov oscilátora ω0 blíži k uhlovej frekvencii vynucujúce sily ω, amplitúda vynútených kmitov dosiahne
V experimente na videu je vynucujúcou silou premenné magnetické pole cievky, ktoré v nej vznikne v dôsledku premenného prúdu. Toto silové pôsobenie spôsobí, že magnet na pružine začne vykonávať vynútené kmity, ktorých amplitúda dosiahne maximum 0,25 N pri rezonančnej frekvencii f r = 1,511 Hz (1 / 0,662 s). Túto hodnotu dosahuje po 15 s a jej hodnota zostáva približne konštantná do konca merania (do 40 s). V porovnaní s 1. experimentom, kde amplitúda kmitov klesla z maximálnej hodnoty na nulu za dobu 22 s, vplyvom vynucujúcej sily je kmitavý pohyb pružiny udržiavaný, dokonca dochádza k nárastu jeho amplitúdy na maximálnu hodnotu, ktorú dosahuje aj v čase 22 sekúnd.
Otázky
- Na obraze Nicolasa Lancreta je k hojdačke pripevnený povraz, za ktorý ťahá priateľ hojdajúcej sa dámy. Čo tým dosiahne? Aký pohyb, by vykonávala dáma na hojdačke, ak by k hojdačke nebol pripevnený povraz?
- Ak by pružina s magnetom v 3. experimente nekmitala, ako by to ovplyvnilo indukované napätie? Predstavte si opačnú situáciu. Pružina bude v pokoji a cievka sa bude pohybovať nahor a nadol k pružine tak, že cez jej dutinu bude prechádzať pružina. Čo budeme pozorovať?
- Aká je frekvencia rázov v 2. experimente? Aká je frekvencia vlastných kmitov pružiny? Čo by sme pozorovali, ak by tieto frekvencie boli rovnaké?
- Vysvetlite prečo pri konštruovaní lietadiel, musí byť frekvencia vlastných kmitov lietadla iná ako frekvencia materiálu z ktorého je vyrobené lietadlo (napr. krídla)? Čo by sa mohlo stať, ak by sa táto podmienka nesplnila?
Ak nevieš odpovedať na otázky, vráť sa ešte raz k videu a vysvetleniu.
Použité zdroje:
Gibová, Z. 2015: Fyzikálne meranie 2. Košice.Technická univerzita v Košiciach. 2015. ISBN 978-80-553-2366-4.
Halliday, D., Resnick, R., Walker, J. 2000: Fyzika – časť 3. Elektřina a magnetizmus. Brno. VUTIUM. 2000. ISBN 80-214-1868-0.
obrázok gitara, zdroj: http://www.rockland.sk/funky/eshop/9-1-GITARY/2-2-elektricke-gitary/5/87-RX22-FWSB-Washburn-elektricka-gitara
obrázok dámy na hojdačke, zdroj: http://www.fineart-china.com/htmlimg/image-21882.html